在電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，電氣隔離是一個(gè)至關(guān)重要的概念。通過隔離高、低壓系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)以下幾點(diǎn)重要功能：

① 使高、低壓系統(tǒng)間相互獨(dú)立，提高低壓系統(tǒng)的抗干擾能力；

② 保證高、低壓系統(tǒng)間的安全交互，使系統(tǒng)安全工作；

③ 保護(hù)使用者的人身安全，免受高壓系統(tǒng)的電擊傷害。

本期將詳細(xì)介紹電氣隔離的基本知識(shí)，包括電氣隔離的定義與重要性，隔離等級(jí)的分類與定義，以及隔離器認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范。

電氣隔離的定義和重要性

電氣隔離通過使用隔離器件以防止具有破壞性的電氣信號(hào)在高/低壓子系統(tǒng)間傳輸，同時(shí)允許安全的、系統(tǒng)正常運(yùn)行所需的電氣信號(hào)在高/低壓系統(tǒng)間進(jìn)行交互的過程方式。以下討論三種系統(tǒng)交互的場(chǎng)景：

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當(dāng)兩個(gè)低壓系統(tǒng)進(jìn)行交互時(shí)，電氣信號(hào)可以在兩個(gè)系統(tǒng)間自由傳輸。在這種狀態(tài)下，通常我們認(rèn)為系統(tǒng)的工作是安全的。

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當(dāng)高/低壓系統(tǒng)不使用隔離器直接進(jìn)行交互時(shí)，由于高壓系統(tǒng)和低壓系統(tǒng)間存在較高的電勢(shì)差，此時(shí)高壓系統(tǒng)就有可能向低壓系統(tǒng)傳輸具有破壞性的電氣信號(hào)，會(huì)使低壓系統(tǒng)的工作狀態(tài)出現(xiàn)異常，甚至導(dǎo)致其永久性損壞，不僅會(huì)影響系統(tǒng)的功能安全，還可能會(huì)危及人身安全，導(dǎo)致重大的安全事故等。

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在高、低壓系統(tǒng)間使用隔離器進(jìn)行電氣隔離后，具有破壞性的電氣信號(hào)被隔離器阻斷，安全的、系統(tǒng)正常運(yùn)行所需的電氣信號(hào)在高/低壓系統(tǒng)間交互，系統(tǒng)的功能安全得以保證。

電氣隔離的定義

隔離等級(jí)的分類與定義

根據(jù)隔離性能的差異，電氣隔離被分為不同的隔離等級(jí)，功能隔離、基本隔離、雙重隔離、增強(qiáng)隔離是幾種比較典型的隔離等級(jí)：

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功能隔離，只能實(shí)現(xiàn)設(shè)備正常工作所必須的隔離，沒有電擊保護(hù)的功能，如電路板上的PCB材料。

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基本隔離，只提供單級(jí)隔離，能夠在絕緣層完好的情況下實(shí)現(xiàn)隔離。但一旦絕緣層失效，系統(tǒng)將存在電擊的風(fēng)險(xiǎn)。一般情況下，基礎(chǔ)型隔離器能夠隔離的電壓在3kV左右，也有少數(shù)的基礎(chǔ)型隔離器的隔離電壓可以達(dá)到5kV。

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雙重隔離，在基本隔離的基礎(chǔ)上增加了一層隔離，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的冗余，它能夠在單級(jí)隔離失效時(shí)保證系統(tǒng)的安全。通過這種方式，隔離電壓可以達(dá)到5kV及以上。

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增強(qiáng)隔離，也是一種單級(jí)隔離，但可以做到與雙重隔離等效的隔離強(qiáng)度。

隔離等級(jí)的分類與定義

隔離器認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范

目前，常見的隔離器大多采用基本隔離和增強(qiáng)隔離的方式。為了取得上述兩種隔離的認(rèn)證，隔離器的性能需要符合地區(qū)規(guī)范及安全標(biāo)準(zhǔn)。

在隔離器的標(biāo)準(zhǔn)與認(rèn)證方面，國際電工委員會(huì)（IEC）是世界上成立最早的非政府性國際電工標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)。IEC與多個(gè)地區(qū)的機(jī)構(gòu)合作，為電氣/電子設(shè)備制定國際安全標(biāo)準(zhǔn)。不同的地區(qū)會(huì)有不同的機(jī)構(gòu)制定地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)，如美國、加拿大、德國、中國等地都有屬于自己的本土機(jī)構(gòu)。

只有通過了當(dāng)?shù)氐牡貐^(qū)標(biāo)準(zhǔn)，隔離器才能夠合法地進(jìn)行商業(yè)推廣，搭載了該隔離器的電氣/電子產(chǎn)品也才能銷售給終端客戶。通常，在隔離器數(shù)據(jù)手冊(cè)的第一頁會(huì)列出該隔離器通過了哪些地區(qū)的認(rèn)證。其中，數(shù)字隔離器的增強(qiáng)隔離等級(jí)主要是由VDE提出并由IEC作為全球標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行推廣。納芯微是數(shù)字隔離器產(chǎn)品的領(lǐng)跑者，也是國內(nèi)首家通過VDE增強(qiáng)型隔離認(rèn)證的半導(dǎo)體公司。

隔離器的標(biāo)準(zhǔn)與認(rèn)證機(jī)構(gòu)

在VDE的現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)下，基本型和增強(qiáng)型隔離器都有相應(yīng)的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)和參數(shù)規(guī)范。

在最大浪涌電壓測(cè)試中，基本型和增強(qiáng)型都需要通過50次的雙極性浪涌沖擊，最終測(cè)得的電壓不得超過數(shù)據(jù)表中最大浪涌電壓的1.3倍，在此基礎(chǔ)上，增強(qiáng)型還需要至少要通過10kV的浪涌電壓測(cè)試。

在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)設(shè)備內(nèi)部存在缺陷時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)局部放電現(xiàn)象。局部放電現(xiàn)象是指導(dǎo)體間絕緣的部分區(qū)域被擊穿的電氣放電現(xiàn)象，在短時(shí)間內(nèi)它并不影響絕緣強(qiáng)度，但在高壓的反復(fù)作用下，缺陷最終會(huì)導(dǎo)致器件被擊穿。因此，需要通過非破壞性實(shí)驗(yàn)檢測(cè)出這些缺陷，基本型隔離器需通過1.5倍的VIOSM浪涌測(cè)試，而增強(qiáng)型隔離器的局部放電測(cè)試則需在1.875倍VIOSM電壓下進(jìn)行測(cè)試。

根據(jù)不同溫度，不同電壓下的芯片工作壽命，利用韋伯分布即可擬合出芯片在最小額定壽命及目標(biāo)壽命期間故障率下的工作電壓，然后根據(jù)VDE相關(guān)系數(shù)的要求，即可得出VIORM、VIOSM。從表格中還可以了解到，增強(qiáng)型隔離器有更長的工作壽命，且壽命期間的故障率更低。

通過了上述測(cè)試后，即認(rèn)為隔離器達(dá)到了VDE認(rèn)證的要求。

基本型和增強(qiáng)型隔離器的標(biāo)準(zhǔn)與認(rèn)證

綜上所述，電氣隔離涉及到設(shè)備的安全工作和使用者的人身安全，是電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)中不可或缺的一部分。

審核編輯：劉清